[发明专利]地铁沿线建筑物隔振结构及有限元仿真方法

权利要求书

1.地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，所述地铁沿线建筑物隔振结构包括既有地铁隧道盾构结构以及建筑物，既有地铁隧道盾构结构内设置有道床，道床上铺设有钢轨，钢轨与道床通过扣件固定连接，在建筑物基坑底部和基坑侧壁设置有减振垫板，至少50％以上面积的基坑底部和侧壁铺设有减振垫板；同时，在地铁盾构结构与建筑物基坑中间还设置有隔离桩或混凝土隔离墙；

其特征在于，包括如下步骤：

(一)基本假设

在建立有限元数值仿真模型前，做出如下简化假设为：

(1)假定土体在轨道交通较弱激励下为弹性本构体；

(2)将土体考虑为水平层状体系，每层土体由同一介质组成且各向同性；

(3)忽略土体颗粒的微观结构，认为土介质应力应变及物理位移量的空间变化可由连续函数描述；

(二)网格单元尺寸

采用动力响应有限元法进行半无限域动力分析时，由于问题的实质是应力波场的求解，合理的有限元模型须反映应力波传播的特征，能够捕捉介质中的波动效应，这就要求半空间土体的离散化要满足一定的条件；

由于波的传播速度是有限的，有限元离散网格中任一节点在某一时刻的响应由其邻近区域内的节点在前一时刻及其以前若干时刻的响应确定，有限元模型的离散化方法必须尽量体现连续介质体的波动特征；当采用离散模型代替连续介质时，弹性波的传播规律将发生一定的变化，这源于平面波在离散网格中的传播相速度不再等于他的物理波速，而与波的传播方向和频率有关，产生了离散模型的附加频散；同时，离散模型中的波存在截止频率，超过该频率的波动能量将不能传播，而以寄生振荡的方式混于低频波中；为保证计算精度与控制频散以及提高截止频率，当采用离散模型分析波动问题时，要求单元尺寸划分不宜过大；考虑上述因素的前提下，尽量减少不必要的计算量，采取疏密结合的方式，对模型关心范围内及关键位置的网格划分尺寸进行详细规划，以满足计算模型的精度要求；

(三)边界条件

采用有限范围内离散的模型来模拟半无限岩土体时，将在截取的模型边界上发生应力波的反射，从而干扰真实波场，导致模拟结果的失真；有限元模型采用能够同时模拟散射波辐射和地基弹性恢复性能的粘弹性人工边界条件；三维粘弹性动力人工边界通过在人工截断的边界上设置连续分布的并联弹簧-阻尼器系统来等效模拟；

其弹簧元件的弹性系数及粘性阻尼器的阻尼系数的计算公式如下式所示：

式中：ρ和G分别表示介质的质量密度和剪切模量；R表示波源至人工边界的距离；c表示介质中的波速，法向人工边界波速取纵波波速，切向人工边界波速取剪切波波速；参数α根据人工边界的类型及设置方向取值；

粘弹性人工边界条件在有限元实际应用中，只需在有限元模型人工边界节点的法向和切向分别设置并联的弹簧单元和阻尼器单元，弹簧单元和阻尼器单元参数可按下式确定：

式中：A_i为人工边界节点所代表的边界；

(四)分析方法与计算步长

地铁振动数值计算采用瞬态动力学分析中的直接积分法，该方法是直接从一般的动力学方程出发，将所考虑的时间历程进行等时段离散划分，根据已知初始条件，即位移、速度、加速度、荷载，从前一个时刻计算下一个时刻的振动响应，可以得到结构在载荷作用下的位移、应力、应变、速度、加速度变量的时间历程，其中两个相邻时间点间的增量称为积分时间步长，有限元计算程序通常采用隐式newmark-β时间积分法，此外还包括显式中心差分法和隐式wilson-θ法；

直接积分法时间步长直接影响计算分析精度，在时域内求解振动波传播问题时，步长过大将损失高频成分，导致精度降低；步长过小将增加计算步数，求解效率下降，因此，权衡考虑频域后处理精度及计算机运行能力后，仿真模型计算时间步长取1/512s，最高分析频率200Hz以上，满足振级数据处理要求；

(五)采用MIDAS或ABAQUS进行仿真建模分析。

2.根据权利要求1所述的地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，其特征在于：所述隔离桩桩径0.5-1m，桩距0.5-1.3m，隔离桩水平方向两侧超出基坑边缘各大于5m，竖直方向超出地铁隧道盾构结构深度大于5m。

3.根据权利要求2所述的地铁沿线建筑物隔振结构的有限元仿真方法，其特征在于：所述隔离桩为两排，且交错设置。